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10萬座大壩的誕生!

來源: 星球研究所 發(fā)布時間:2021-01-24 21:42:18 分享至:

中國

是世界上河流最多的國家之一

4.5萬余條江河

縱橫交錯

遍布960萬平方千米的大地

(上述河流數量僅包括流域面積50平方千米及以上的河流,下圖為中國主要河流分布,制圖@鄭藝/星球研究所)

 

中國

還是世界上水旱災害最多的國家之一

有文獻記載以來

1092次水災、1056次旱災

讓數千年的中華文明發(fā)展史

成為一部人與水旱災害的抗爭史

(上述數據僅統(tǒng)計至1949年,下圖為洪流中的錢塘江,攝影師@肖奕叁)

一邊江河奔流、哺育眾生

一邊災害頻發(fā)、民不聊生

兩種截然相反的特征

也促使中國發(fā)展成為

全球大型水利設施最發(fā)達的國家

沒有之一


其中最為突出的

便是遍布中國大地

攔蓄近9000億立方米庫容的

近10萬座水壩

(國際大壩委員會規(guī)定,壩高超過15米,或者庫容超過300萬立方米、壩高在5米以上的壩為大壩,下圖為中國高度100m以上大壩分布,制圖@鄭藝/星球研究所)

它們可以擋水

攔截滔滔洪流

(請橫屏觀看,2020年7月,新安江水庫九孔泄洪,攝影師@呂杰?。?/p>

可以蓄水

保障供水、灌溉

(請橫屏觀看,新豐江水庫是香港、深圳等諸多城市的重要飲用水源之一,攝影師@劍膽琴心)

也可以抬高水位

發(fā)展水電、改善航道

(燈火通明的白鶴灘水電站,建成之后將成為僅次于三峽水電站的世界第二大水電站,攝影師@柴峻峰)

中國也因此成為了

世界上擁有水庫大壩最多的國家

(根據《碾壓式土石壩設計規(guī)范(2001)》,壩體按照高度可以分為:<30m為低壩,30-70m為中壩,>70m為高壩;下圖為世界主要國家壩高30m以上的大壩數量分布,制圖@鄭藝/星球研究所)

我們究竟是如何建造出

數量如此眾多的大壩的?

 01 

水來土掩

人們就近取土、層層夯實

筑起上窄下寬的高墻

攔住上游來水

最古老的

土壩

便誕生了

(土壩的建造型式眾多,下圖為均質土壩示意,制圖@羅梓涵/星球研究所)

 圖片

經過壓實的土料顆粒

依靠彼此間緊密咬合

大大增強了壩體的穩(wěn)定

顆粒間明顯減小的孔隙

又能阻礙水的流動

令其具備較強的防滲功能

從而實現

“兵來將擋,水來土掩”

(土料壓實前后防滲對比,制圖@羅梓涵/星球研究所)

 圖片

甚至在條件足夠理想時

無需機械夯實

憑借土料自身的重量

就能層層壓實、筑起大壩

(上述筑壩方式稱為水中填土法,黃土高原上的汾河水庫大壩,是全球首個使用水中填土施工的大壩,位于山西太原,攝影師@王蒙)

當然

除了土料

卵石、砂石以及人工開采的塊石等

均可用來堆筑大壩

人稱

堆石壩 

但與細密的土料不同

石料顆粒粗、硬度大

極易發(fā)生滲水

即便機械壓實

也收效甚微

(堆石壩滲水示意,制圖@羅梓涵/星球研究所)

圖片

于是工程師們

利用石料、土料“雙管齊下”

或在堆石壩中央

增設一道直立的土質防滲墻

成為

心墻堆石壩

(心墻堆石壩結構示意,制圖@羅梓涵/星球研究所)

圖片

 (碧口水庫大壩便是一座心墻堆石壩,位于甘肅文縣,畫面前方是經電站流出的水體,圖片來源@視覺中國)

或是將防滲墻傾斜布置

則為

斜墻堆石壩

(斜墻堆石壩結構示意,制圖@羅梓涵/星球研究所)

圖片

家喻戶曉的小浪底大壩

高達160米

是中國最高的斜墻堆石壩

 (請橫屏觀看,氣勢如虹的小浪底大壩,壩頂長1667米、寬15米,位于黃河中游,攝影師@林治坤)

正是這樣一座大壩

讓小浪底水庫的蓄水量

達到126.5億立方米

超過2個太湖

也正因如此

黃河下游的防洪標準

得以提升至1000年一遇

讓近1億人口免于水患

(太湖的蓄水量約為56億立方米,下圖為小浪底大壩泄洪場景,攝影師@張子玉)

然而

能夠防滲的并非只有土料

混凝土甚至擁有

更小的孔隙、更強的防滲

只不過

相對于顆粒松散

且在水體擠壓下

易發(fā)生輕微變形的堆石壩

混凝土還是太過“堅硬”

二者截然不同的變形程度

令它們無法“齊心協力”

共同抵抗奔騰的江河

直到20世紀80年代

我國開始引入一種新型設備

振動碾

它如同一臺超強力“壓路機”

經其碾壓后的石料

顆粒密實、硬度增大

抗變形能力大幅加強

足以與混凝土旗鼓相當

(堆石壩的建造場景,圖片來源@視覺中國)

  

自此以后

堆石壩終于能獲得混凝土的加持

只要在壩體的上游一側

鋪設一層混凝土面板

便能完成防滲

這便是

面板堆石壩

(面板堆石壩結構示意,制圖@羅梓涵/星球研究所)

圖片

由于這種壩型施工快、造價低

一經問世便迅速風靡全國

其中位于湖北恩施的

水布埡大壩

高度達到233米

一舉成為當時世界最高的面板堆石壩

(清江上的水布埡大壩,壩體上可見Z字型馬道,用于排水、檢修、交通等,攝影師@李云飛)

以上種種

由土料和石料堆筑的大壩

統(tǒng)稱為

土石壩

由于它的

材料易得、結構簡潔、施工簡便

因此應用極為廣泛

據相關數據統(tǒng)計

在我國近10萬座水壩中

各種土石壩的數量

占到95%以上

幾乎是大江南北、遍地開花

(東圳水庫大壩,一座設有心墻的土石壩,位于福建莆田,攝影師@DJY俊逸)

可即便數量如此龐大

但是泥土、碎石等筑壩材料

本身屬于松散顆粒

這便注定了土石壩

并非十全十美

一方面

無論如何壓實

顆粒間的孔隙依然存在

經年累月下

發(fā)生滲流在所難免

另一方面

松散的土石料表面

難以抵抗猛烈的水流沖刷

因此土石壩不允許洪水漫頂

必須在遠離壩體的位置

增設專門的泄洪通道

(水布埡大壩和右邊的溢洪道,點擊圖片查看泄洪場景,攝影師分別為@李順武@譚江弘)

那么

我們如何才能建起

更加堅固的大壩呢?

 02 

一夫當關

不妨想象

將一塊巨石置于水中

只要其重量足夠

就能與地基間產生

足夠強大的摩擦力

令其在洶涌的水流中巋然不動

類似地

如果能夠人工打造一塊這樣的巨石

便能以其“一己之力”

抵擋奔騰而來的江河之水

堪稱

“一夫當關,萬夫莫開”

這便是

重力壩

(重力壩示意,制圖@羅梓涵/星球研究所)

圖片

為此

堅硬、致密的混凝土

再次進入人們的視線

以其澆筑的

混凝土重力壩

不僅能夠攔水截流

而且其本身足夠堅固

因此可以在壩身上設置泄水孔

甚至建造可直接溢流的壩段

(正在泄水的丹江口大壩,位于湖北丹江口,攝影師@白?帆。另:在混凝土重力壩出現之前,早期的重力壩多由石灰漿黏結石塊而成)

 

尤其在大江大河之上

每逢汛期水位暴漲

一座座混凝土重力壩

便如“定水神針”一般

成為防洪的中堅力量

例如

坐鎮(zhèn)金沙江的

向家壩水庫大壩

(向家壩水庫大壩,位于云南水富,攝影師@柴峻峰)

駐守黃河的

三門峽大壩

(三門峽大壩,位于河南三門峽,攝影師@黃雪峰)

以及

橫亙于長江的

三峽大壩

這座高181米

全長2309米的龐然大物

以超過1600萬立方米的混凝土打造而成

能攔蓄221.5億立方米的洪水

與4個太湖的蓄水量相當

(請橫屏觀看,攔截長江的三峽大壩,位于湖北宜昌,攝影師@李心寬)

自大壩竣工以來

曾在2010年、2012年和2020年

三次長江大洪水中

削減洪峰40%左右

極大地減輕了

長江中下游地區(qū)的防洪壓力

(2020年夏季三峽大壩泄洪的場景,攝影師@李心寬)

然而

穩(wěn)立于洪濤的重力壩

卻也并非無懈可擊

它還必須戰(zhàn)勝一個

“看不見的敵人”

人稱揚壓力

這種特殊的作用力

由兩部分共同組成

其一是地基滲水和壩體滲水

所產生的滲透壓力

其二則是淹沒于水下的壩體

所承受的上浮力

在揚壓力的作用下

壩體相當于被向上“托舉”一般

極不利于壩體穩(wěn)定

(重力壩揚壓力示意,制圖@羅梓涵/星球研究所)

圖片

為此

工程師們千方百計

試圖在保證壩體穩(wěn)定的同時

盡可能減小壩體與地基間的接觸面

從而避免產生過大的揚壓力

比如

將壩體內部分段收縮

形成一節(jié)節(jié)空腔

成為

寬縫重力壩

(寬縫重力壩結構示意,制圖@羅梓涵/星球研究所)

 圖片

(新安江大壩,中國第一座寬縫重力壩,攝影師@方建飛)

甚至直接將壩體的下部掏空

形成一座“空腹”的

空腹重力壩

(空腹重力壩結構示意,制圖@羅梓涵/星球研究所)

圖片

(中國第一座空腹重力壩是上猶江水庫大壩,位于江西贛州。下圖的牛路嶺水電站大壩也是一座空腹重力壩,位于海南瓊海,圖片來源@視覺中國)

可是到這里

人們就能高枕無憂了嗎?

可惜

答案是否定的

因為寬縫也好,空腹也罷

重力壩的體型依然過于龐大

混凝土澆筑時的

溫度條件、施工步驟

更是復雜

(三峽大壩施工的場景,圖片來源@視覺中國)

 

但工程師們

并沒有知難而退

而是轉而改用

摻雜粉煤灰的特殊混凝土

結合與土石壩相同的碾壓方式

建成取長補短、優(yōu)勢互補的

碾壓混凝土重力壩

這種新型筑壩技術

既能減少混凝土用量

又能簡化施工步驟

還能便于大型機械施工

從而縮短工期、降低造價

可謂一舉多得

(1986年我國建成了第一座碾壓混凝土大壩,坑口水庫大壩,位于福建三明,圖片來源@三明市大田縣融媒體中心)

也正因如此

眾多愈發(fā)宏偉的大壩拔地而起

從101米高的

水口大壩

(閩江上的水口大壩,位于福建福州,圖片來源@視覺中國)

到200.5米高的

光照大壩

(光照大壩、滬昆高鐵、北盤江特大橋,三大超級工程同框,位于貴州黔西南,攝影師@王璐)

再到目前世界上最高的

碾壓混凝土重力壩

龍灘大壩

它高216.5米

已經遠遠超過

我國最高的常規(guī)混凝土重力壩

三峽大壩

(紅水河上的龍灘大壩,位于廣西河池,攝影師@姚王度)

而若要進一步

實現壩高的突破

同時還能進一步

控制用料和成本

那么是否

存在更加精巧的結構呢?

 03 

借力打力

在廣東省北部

一座體態(tài)輕盈、造型優(yōu)美的大壩

巍然屹立于峽谷之中

其壩體向上游方向拱起

厚度與高度之比僅有0.11

這就是坐落在廣東韶關的

泉水大壩

這是中國最薄的

拱壩

(南水河支流上的泉水拱壩,圖片來源@視覺中國)

這種結構精巧的壩型

除了依靠壩體自重

更關鍵的

則是利用拱形結構

將絕大部分水體推力

傳向兩岸堅實的山體

以山體產生的反作用力

令壩體維持穩(wěn)定

堪稱名副其實的

“借力打力”

(拱壩示意,制圖@羅梓涵/星球研究所)

有了山體的分擔

拱壩的體積

一般僅為同等高度重力壩的30-60%

可謂是既美觀又經濟

(耒[lěi]水河上的東江大壩,壩體輕薄,壩頂最窄處僅有7米寬,位于湖南資興,攝影師@姚王度)

更為精妙的是

正常狀態(tài)的拱壩

在自身重力、水體推力

基巖支撐、溫度變化等

諸多條件綜合作用下維持平衡

如果遭遇突發(fā)情況

某個條件發(fā)生改變

其余條件仍能保證壩體穩(wěn)定

這便是超靜定結構

因此

拱壩具備

出類拔萃的安全性

其超載能力甚至可以達到

設計性能的10倍以上

以汶川的沙牌拱壩為例

它距離5 · 12汶川大地震震中

僅有36千米

即便當時的水庫滿載運行

在經歷地動山搖之后

壩體也未受到明顯損害

(岷江支流上的沙牌拱壩,位于四川汶川,攝影師@余振威&劉文君)

但是

集美觀、經濟、安全

于一身的拱壩

對地形和地質條件的要求

卻極為苛刻

其理想的壩址

要求兩岸的基巖堅硬且完整

河谷還必須左右對稱

且從上游向下游收縮

只有這樣

壩體才能穩(wěn)穩(wěn)地

“卡”在河谷之中

(金沙江上正在建設的烏東德大壩,位于云南昆明與四川涼山交界,攝影師@盧思璇)

好在隨著工程、材料

以及計算機模擬技術的進步

拱壩的適應性

越來越強

人們不僅在

地質條件復雜的喀斯特地貌區(qū)

建成了烏江渡、構皮灘等

一眾知名的大型拱壩

(烏江上的構皮灘拱壩,位于貴州遵義,攝影師@秦軍,圖片來源@水電八局)

▼ 

拱壩的形態(tài)

也愈發(fā)多樣

其平面

可以是廈門島

上李水庫拱壩的規(guī)則圓弧狀

(廈門島上的上李水庫大壩,位于福建廈門,圖片來源@視覺中國)

也可以是烏江上

東風拱壩的雙曲線型

(烏江上的東風拱壩,位于貴州清鎮(zhèn),攝影師@李貴云)

而其剖面

可以保持豎直

是為單曲拱壩

(單曲拱壩結構示意,制圖@羅梓涵/星球研究所)

圖片

亦可以

同樣向上游彎曲

是為雙曲拱壩

(雙曲拱壩結構示意,制圖@羅梓涵/星球研究所)

圖片

更令人震撼的是

拱壩的高度不斷刷新記錄

2000年

240米高的二灘拱壩建成

這是中國首座突破200米級的大壩

(金沙江與雅礱江交匯處的二灘拱壩,位于四川攀枝花,攝影師@石磊)

▼  

2010年

拉西瓦拱壩封頂

最大壩高突破250米

(黃河干流上的拉西瓦水庫拱壩,位于青海海南,攝影師@李俊博)

2014年

溪洛渡大壩竣工

其壩高達到285.5米

(金沙江上的溪洛渡拱壩,位于四川涼山與云南昭通交界,攝影師@柴峻峰)

放眼世界

在全球76座200米以上的高壩中

僅拱壩就有38座之多

毫無疑問地成為了

200米級高壩的最佳選手

但是

200米級

仍不是拱壩的極限

瀾滄江上的小灣拱壩

高度達到294.5米

直逼300米級

(小灣拱壩,壩頂最窄處僅有12米寬,位于云南大理與臨滄交界,攝影師@陳暢)

而雅礱江上的

錦屏一級拱壩

高度達到305米

成功晉級世界最高壩

就這樣

在西部的高山峽谷中

越來越多的高拱壩

憑借有利地形

以四兩撥千斤之勢

攔洪蓄水、抬高水位

讓奔騰的江河帶來源源不斷的電能

輸送到祖國各地

點亮萬家燈火

(龍羊峽水電站,位于青海海南,攝影師@李俊博)

 04 

十萬“勇士”

從“水來土掩”的土石壩

到“一夫當關”的重力壩

再到“借力打力”的拱壩

它們可謂是

中國大壩家族的絕對主角

但10萬座大壩的精彩

卻不止于此

我們還有

結構簡潔到

只需用一組支墩和擋水蓋板

便能組成的支墩壩

(佛子嶺水庫大壩,位于安徽六安,是中國僅有的兩座連拱支墩壩之一,圖片來源@視覺中國)

也有以橡膠等合成材料

做成封閉布囊錨固于河道

“隨充隨用”的橡膠壩

(沂河上的小埠東橡膠壩,全長1135米,是目前世界最長橡膠壩,位于山東臨沂城內,圖片來源@視覺中國)

甚至隨著科技的突飛猛進

古老的土石壩

也能繼續(xù)沖擊新的高度

2014年

糯扎渡大壩建成

高度達到261.5米

(瀾滄江上的糯扎渡大壩以及右邊的溢洪道,位于云南普洱,攝影師@潘泉)

一年后

雙江口大壩開工

其最大壩高314米

未來將重新定義世界最高壩

(請橫屏觀看,大渡河上正在施工的雙江口大壩,位于四川阿壩,攝影師@楊虎)

就這樣

在960萬平方千米的廣袤大地上

中國人建造了

大大小小近10萬座水壩

它們如同十萬個“勇士”

巍然挺立在

群山之間、江河之上

守護著農田、鄉(xiāng)村、城鎮(zhèn)

以及一片又一片家園

(懷柔水庫大壩與北京懷柔城區(qū)同框,攝影師@陳劍峰)

但是

建造水壩

也僅是龐大水利工程系統(tǒng)的

冰山一角

正如宏偉的三峽工程

早在大壩開工之前

已歷時40年

精心設計、反復論證

哪怕大壩封頂之后

仍歷時6年

才建成世界裝機容量最大的

水電站

歷時9年

才建成世界上規(guī)模最大的

三峽升船機

(三峽升船機是三峽工程的最后一個“配件”,圖片來源@視覺中國)

而直到2020年

這項水利樞紐工程

才宣告全面完成

最終

它不僅是一堵攔洪的巨墻

也是一座龐大的蓄水池

一臺強勁的發(fā)電機

一條航運物流的大通道

(請橫屏觀看,超級工程三峽水利樞紐,攝影師@黃正平)

三峽工程如是

每一座水利工程亦如是

而在這每一座工程背后

無不凝結著

無數建設者的心血和智慧

也正因如此

才誕生了中國大壩的奇跡

乃至中國水利工程的奇跡

(雅魯藏布江上的加查水電站,靜臥于莽莽群山之間,攝影師@行影不離)

本文創(chuàng)作團隊

撰文:艾藍星

圖片:散夏

設計:羅梓涵

地圖:鄭藝

審校:楨公子,黃超


【致謝】本文的圖片內容得到了“中國水電八局”的鼎力支持,本文撰寫得到了清華大學土木水利學院馬吉明教授、中科院地質與地球物理研究所張磊博士(水利專業(yè))的大力幫助,特此感謝。

【參考文獻】

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[6] 水利部. 2018年全國水利發(fā)展統(tǒng)計公報.

[7] 水利部. 2013年第一次全國水利普查公報.

 

本文關鍵詞:港航動態(tài) 標簽:壩壩壩壩壩
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